單跨整體式橋臺(tái)鋼混組合梁橋設(shè)計(jì)研究

陳祥構(gòu)

(福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350000)

0 引言

隨著橋梁建造技術(shù)不斷發(fā)展，對(duì)橋梁的美學(xué)、行車舒適性、快速建造、全生命周期等特性提出了更高要求。主梁采用鋼-混組合梁構(gòu)造簡單，鋼材加工靈活，梁底做成簡練的曲線造型，突出了橋梁的美學(xué)效應(yīng)，且施工便捷，是新時(shí)期中小橋梁的發(fā)展趨勢。整體式橋臺(tái)將橋臺(tái)臺(tái)身、樁基與主梁聯(lián)結(jié)形成整體，共同承受荷載作用。同時(shí)，橋面不設(shè)伸縮縫裝置、支點(diǎn)無支座，行車舒適性高，也避免后期對(duì)構(gòu)件的維護(hù)，大大降低了橋梁全生命周期的使用成本。由于提高了橋梁的整體性，其承受災(zāi)害事件能力也有所提高[1]。

將整體式橋臺(tái)與鋼混組合梁的優(yōu)勢進(jìn)行結(jié)合，形成的鋼—混凝土整體式橋臺(tái)橋梁，除了能夠優(yōu)化整體式橋臺(tái)外，還具有鋼—混組合結(jié)構(gòu)自重輕、剛度大、跨越能力強(qiáng)的力學(xué)特點(diǎn)，便于工廠化預(yù)制、裝配式施工。因此，該結(jié)構(gòu)在城市橋梁中取得良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

基于此，本文擬以福州市某橋梁工程為例，探析單跨整體式橋臺(tái)鋼混合梁橋設(shè)計(jì)，以期為中小跨徑橋梁的今后設(shè)計(jì)選型提供參考。

1 工程概況

位于福州市倉山區(qū)的流花溪曾是一條黑臭的垃圾河，經(jīng)過對(duì)該河道的綜合整治，河道拓寬，水質(zhì)改善，河道兩側(cè)布設(shè)自然山石駁岸，形成了水清暗綠、美景無邊的城市濱水景觀。本文案例橋跨越流花溪，橋位處水面寬30m，河岸兩側(cè)沿河休閑步道寬3.0m，橋面高程10.3m，常水位4.5m，河底標(biāo)高2.4m，橋下步道凈空高度2.5m，橋面寬度39m(3.5m人行道+3.5m非機(jī)動(dòng)車道+1.5m綠化帶+22m雙向六車道+1.5m綠化帶+3.5m非機(jī)動(dòng)車道+3.5m人行道)，如圖1所示。

圖1 橋位平面圖

為滿足防洪和景觀要求，降低橋梁施工對(duì)河道水質(zhì)的影響，該工程要求單跨過河，并避免在水中搭設(shè)施工臨時(shí)支架?；谥T多限制條件，經(jīng)過多方案比對(duì)分析，該橋采用跨徑40m單跨整體式橋臺(tái)鋼混組合梁橋。橋梁立面布置圖如圖2所示。

圖2 橋梁立面布置圖

2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

(1)設(shè)計(jì)荷載：城-A級(jí)，人群荷載按《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ11-2011)取值；

(2)橋涵設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100年，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限： 50年；

(3)地震荷載：地震基本烈度為7度，設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度0.10g，橋梁抗震設(shè)防類別為丁類；

(4)橋梁設(shè)計(jì)安全等級(jí)：一級(jí)；

(5)工程環(huán)境類別：Ⅰ類；

(6)規(guī)劃洪水位：二十年一遇。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 上部結(jié)構(gòu)

在中小跨梁橋中，梁底的曲線造型是橋梁立面視覺效果的決定性因素?？傮w來說，跨中與根部的梁高變化越大，梁底曲線越顯著，景觀效果越好。相比簡支梁，整體式橋臺(tái)橋梁主梁與墩臺(tái)固結(jié)，跨中彎矩較小，跨中鋼梁高取值1.3m≈L/30進(jìn)行設(shè)計(jì)(L為跨徑)。根部梁高因橋下休閑步道標(biāo)高和凈空、橋面標(biāo)高等限制，該橋取值1.8m≈L/22，梁底曲線采用R=180m圓弧線。

橋梁上部結(jié)構(gòu)橫斷面布置如3圖所示。該橋位于直線段，鋼梁部分采用結(jié)構(gòu)形式最為簡單的焊接工形梁，材料采用Q345qD鋼材。橋面較寬，橫向布置為多主梁結(jié)構(gòu)，主梁間距考慮鋼筋混凝土橋面板厚度，結(jié)合主梁縱向計(jì)算結(jié)果，該橋主梁間距取值為2.75m，邊梁混凝土翼緣板懸臂長1.5m。鋼筋混凝土橋面板根部厚度35cm，跨中厚度25cm，混凝土采用C50。

圖3 1/2橋梁橫斷面布置圖

3.2 下部結(jié)構(gòu)

根據(jù)現(xiàn)場鉆探揭示地質(zhì)資料，鉆孔標(biāo)高6.0m，橋臺(tái)地基土層自上而下分布如下：雜填土1.4m，細(xì)中砂0.8m，淤泥13.7m，中砂12.8m，卵石11.5m，砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖19.2m，碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖10.8m。該橋下部采用樁基礎(chǔ)的整體式橋臺(tái)，橋臺(tái)、樁基礎(chǔ)和主梁聯(lián)結(jié)成整體共同受力，鑒于橋臺(tái)和主梁剛度比值將影響角隅處的內(nèi)力分配，從而影響整體受力，該橋上部主梁為鋼—混組合梁。為盡量減小主梁端部的負(fù)彎矩，以減小混凝土橋面板裂縫，該橋設(shè)計(jì)在滿足其它設(shè)計(jì)要求下，盡量采用較小的臺(tái)身厚度，較小的樁基直徑和較短的樁長[2]。歐美國家的樁基礎(chǔ)整體式橋臺(tái)以H形鋼樁這種柔性樁為主，考慮到本地缺乏該類樁基的施工經(jīng)驗(yàn)，并且我院以往設(shè)計(jì)的單跨門式剛構(gòu)橋采用鋼筋混凝土樁基礎(chǔ)目前運(yùn)營效果良好，該橋基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁，以卵石層為持力層，設(shè)計(jì)為摩擦樁(屬于彈性樁)。根據(jù)試算結(jié)果，該橋鋼筋混凝土臺(tái)身厚度取值1.5m，樁基直徑采用1.2m。

3.3 橋面鋪裝

采用4cm厚SMA-13瀝青瑪蹄脂碎石混合料(粗骨料為玄武巖)+5cm AC-20C中粒式改性瀝青混凝土。鋪裝層下涂刷HM1500防水涂料。

4 計(jì)算模型主要計(jì)算結(jié)果

本文采用有限元程序Midas civil 2019建立一幅橋的空間有限元驗(yàn)算模型，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算。在該模型中，主梁采用鋼-I形組合截面，通過施工階段聯(lián)合截面模擬組合截面施工過程。臺(tái)身采用板單元模擬，樁基采用實(shí)腹圓形截面。完成后的模型共計(jì)613個(gè)節(jié)點(diǎn)，696個(gè)梁單元、80個(gè)板單元。分析模型如圖4所示。

圖4 橋梁計(jì)算模型

4.1 邊界條件模擬

整體式橋梁墩臺(tái)和上部結(jié)構(gòu)固結(jié)為整體，在荷載作用下，橋臺(tái)與上部結(jié)構(gòu)固結(jié)處不發(fā)生相對(duì)變形，上部結(jié)構(gòu)的變形通過柱的撓曲吸收。由于在溫度荷載和其他縱向荷載的作用下, 主梁的變形會(huì)受到臺(tái)后填土、樁側(cè)土的抵抗，而臺(tái)后、樁側(cè)土對(duì)樁基礎(chǔ)側(cè)向土阻力的大小又與它們的變形大小有關(guān)。所以，將橋面板從膨脹到收縮的狀態(tài)變化認(rèn)為是一個(gè)周期。如果這個(gè)循環(huán)無限進(jìn)行，回填土的地基反力系數(shù)會(huì)是一個(gè)常量[3]。鑒于土壤的這種特性，水平向土彈簧定義為對(duì)稱的只受壓非線性彈性支承，豎向的土彈簧定義為線性彈性支承。樁土相互作用模型如圖5所示。

圖5 橋梁邊界條件模型

4.2 荷載工況

基于該橋較寬，橫向采用多主梁結(jié)構(gòu)，各主梁不均勻受力主要由橫向剛度分配和偏心荷載引起，計(jì)算模型中，汽車及人群荷載根據(jù)橫向橋面功能劃分按實(shí)際位置加載，一期恒載結(jié)構(gòu)自重由程序自動(dòng)加載，二期恒載(人行道、欄桿、綠化帶、橋面瀝青砼鋪裝)按實(shí)際位置加載。溫度效應(yīng)采用整體升、降溫25℃；梯度溫度按《鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50917-2013) 取值；混凝土收縮徐變按10年。

4.3 施工階段分析

為了減小梁端的負(fù)彎矩、橋臺(tái)頂部的剪力和樁頂?shù)膹澗?，以減少鋼筋混凝土構(gòu)件帶裂縫工作區(qū)域和裂縫寬度，該橋?qū)κ┕み^程進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定，對(duì)橋面板澆筑和主梁固結(jié)時(shí)間分階段細(xì)化，使橋梁上下部都能更趨近于主梁簡支狀態(tài)受力特性。施工階段劃分如表1所示。

表1 施工階段劃分

施工過程中，CS2階段鋼梁吊裝一次落架，鋼梁自身重量全部由鋼梁承擔(dān)，CS3階段暫未形成組合截面，認(rèn)為橋面板混凝土濕重全部由鋼梁承擔(dān)；CS4階段將主梁與橋臺(tái)固結(jié)；CS5階段二期恒載由鋼-混凝土組合截面共同承受，且主梁向橋臺(tái)傳遞彎矩和剪力。鋼梁的位移包含了CS2和CS3兩階段產(chǎn)生的位移，在預(yù)拱度中予以考慮。施工階段鋼梁應(yīng)力如表2所示，均滿足規(guī)范要求。

表2 施工階段鋼梁應(yīng)力表

4.4 承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算

4.4.1鋼梁抗彎承載力驗(yàn)算

圖6和圖7分別為基本組合下鋼梁上下緣應(yīng)力包絡(luò)圖。由圖6可見，鋼梁上緣最小正應(yīng)力為-216.3(受壓)，最大正應(yīng)力為-1.64(受壓)。由圖7可見，鋼梁下緣最小正應(yīng)力為-60.5(受壓)，最大正應(yīng)力為175.6(受拉)。該橋使用的是Q345qD鋼材，鋼梁抗彎承載力滿足要求。

圖6 鋼梁上緣應(yīng)力包絡(luò)圖

圖7 鋼梁下緣應(yīng)力包絡(luò)圖

4.4.2橋面板應(yīng)力抗彎承載力驗(yàn)算

如圖8所示，該混凝土橋面板上緣最大壓應(yīng)力為3.8MPa<22.4MPa(C50強(qiáng)度設(shè)計(jì)值)，滿足要求。

圖8 橋面板上緣正應(yīng)力包絡(luò)圖

4.5 正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算

4.5.1鋼筋混凝土橋面板裂縫寬度驗(yàn)算

該橋主梁作用頻遇組合效應(yīng)如圖9所示，梁端負(fù)彎矩最大值為-3071kN·m，出現(xiàn)在邊梁。橋面板開裂區(qū)域不考慮混凝土作用，以縱向普通鋼筋與鋼梁形成的組合截面為開裂截面驗(yàn)算，按鋼筋混凝土軸心受拉構(gòu)件計(jì)算負(fù)彎矩區(qū)組合梁混凝土板最大裂縫寬度為0.046mm<0.2mm，符合《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范，并滿足相應(yīng)限制的要求。

圖9 作用頻遇組合荷載彎矩包絡(luò)圖

4.5.2豎向擾度驗(yàn)算

計(jì)算豎向撓度時(shí)，按結(jié)構(gòu)力學(xué)方法并采用不計(jì)沖擊力的汽車車道荷載頻遇值，頻遇值系數(shù)為1.0 。如圖10所示，在活載頻遇值作用下，豎向最小位移值為-14.6mm(向下)，滿足規(guī)范要求。

圖10 活載最小位移頻遇值

5 結(jié)論

(1)單跨整體式橋臺(tái)橋梁，依靠梁底曲線突出橋梁美學(xué)效應(yīng)，結(jié)構(gòu)合理、傳力路徑清晰，在城市景觀帶中的中小橋梁不失為一種較優(yōu)的橋型。

(2)橋梁工程是現(xiàn)代交通建設(shè)中的節(jié)點(diǎn)工程，組合鋼板梁橋構(gòu)造簡單、方便工廠預(yù)制和快速施工，是未來中小橋梁的發(fā)展趨勢。

(3)整體式橋臺(tái)橋梁結(jié)構(gòu)整體性好，取消了伸縮縫和伸縮裝置、也取消了支座，具有行車舒適和全壽命經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢。

(4)整體式橋臺(tái)橋梁需要基礎(chǔ)來吸納上部結(jié)構(gòu)的變形，制定合理的施工順序，可以讓鋼梁和橋面板自重由簡支鋼梁承擔(dān)，減小基礎(chǔ)內(nèi)力，使結(jié)構(gòu)受力更趨近于簡支梁橋。